I
Fabrieksschema van Aethylbenzeen .
W.C.van ZUll Langhout Aug.I952.
r
•
1
..
-1-
Samenvatting. B~
de fabricage van styreen wordt als tussenproduct aethylbenzeen verkregen.In het hierna volgende verslag is het fabricageproces van aethylbenzeen beschreven. Tevens is een berekening van een destillatiekolom(benzeenaethylbenzeen)uitgevoerd volgens de methode van Ponchon en Savarit .
Inleiding. De styreenfabricage is van zeer groot belang voor de productie van synthetische rubberachtige stoffen. B~
de styreenfabricage wordt eerst aethylbenzeen geproduceerd en gezuiverd,waarna het aethylbenzeen katalytisch gedehydrogeneerd wordt tot styreen,in het algemeen in tegenwoordigheid van stoom. o
.
We zullen nu de verschillende methoden om aethylbenzeen te bereiden in het kort behandelen en de keuze van ons fabricageproces motiveren. Aethylbenzeen werd in de jaren 1940-1945 in Duitsland geproduceerd door alkylering van benzeen(in de vloeistofphase) met gasvormi g aetheen in tegenwoordigheid van aluminiumchloride als katalysator.Het proces werd onder 0
atmospherische of iets verhoogde druk bij 80 e-100oe uitgevoerd(lit.I).Ook in de U.S.A.wordt deze methode op grote schaal toegepast(lit.2). Vloeibaar benzeen wordt met gasvormig
/
aetheen gealkyleerd met aluminiumchloride als katalysator 0 b~ een temperatuur van .:.95 C. en onder een druk van 790 mmo Hg. C H + C H6 = C H -C H
,,-- -
~
2 4
6
6 5
2 5
B~
deze reactie ontstaan ook de niet gewenste polyaethylbenzenen.De vorming van de polyaethylbenzenen wordt tegengegaan door: a)De hoeveelheid aetheen t.o.v.de hoeveelheid benzeen te verminderen. b)Terugvoering van de gevormde polyaethylbenzenen . Het aetheen wordt practisch volledig verbruikt.Het reactie-
)
.. II
C\J
(f)
z w
I
.
w 1 r
co
."
~
:r:
I
w
Z
-.J
>- J
I-
,
N Z
=
5
~
W
~~ u
""
cs-
-:r
:2-
-2-
mengsel bevat 40-45 gew.% aethylbenzeen. Vergel~ken we h et Duitse proces(lit .l) en het Amerikaanse proces(lit .2,5), dan z~n geen principiële verschillen aan te w~zen.De Duitsers gebruikten meer aluminiumchloride per Kg.gevormd aethylbenzeen.De Amerikanen echter pasten droog chloorwaterstof als promotor voor de katalysator toe.De polyaethylbenzenen worden b~ beide processen voor het grootste deel naar de alkylator teruggevoerd.De rest van de polyaethylbenzenen( triaethyl benzenen en hoger) wordtp. bij het Duitse proces afgevoerd en in and ere industrieën gebruikt.De Amerikanen daarentegen dealkyleren de hogere polyaethylbenzenen tot benzeen,aethylbenzeen en lagere polyaethylbenzenen .De rendementen van beide processen zijn hoog. Bij het Duitse aethylbenzeen, bij het Amerikaanse proces is hoger,n.l.95-97 gew . % aethylbenzeen van de l~ke hoeveelheid aethylbenzeen . Daar andere
proces 91-95 gew.% het rendement iets theoretisch mogeber e idingen van
aethylbenzeen op technische schaal nog in ontwikkeling zijn, moest een keuze gemaakt worden tussen beide bovengenoemde processen.De hogere opbrengst van het Amerikaanse proces gaf aanleiding om deze fabricagemethode te volgen. We behand elen nu nog enkele bereidingen van aethylbenzeen,die in het ontwikkelingsstadium verkeren. Aethylbenzeen werd met een behoorl~k rendement verkregen door alkylering van benzeen in vloeistofpha§e met aetheen en aluminiumchloride als katalysator.De temperatuur was echter veel hoger dan b~ bovengenoemde proc e ssen ,n.l. rOO-200oC.,de druk is natuurl~k ook veel hoger(om het benzeen vloeibaar te houden).(lit.4).V~rder kunnen we nog noemen de --- ~-- -- --._~
bereiding van aethylbenzeen uit benzeen en aethylalcohol met zuur aluminiumphosphaat als katalysator b~ 300 o C.en hoger. Drukken van meer dan roo atm. word en hierbM toegepast(lit.3). De reactie tussen gasvormig benzeen en aetheen wordt uitvoerig bestudeerd.Rendementen tot 95 gew .% aethylbenzeen van de theorie werden verkregen.Katalys a toren,zoals phosphorzuur op kiezelgoer en NaCI -AICI op puimsteen werden gebruikt .Het proces 3 o werd uitgevoerd b~ 230-270 C.en een druk van 15 ata.(lit.6).
I .
-3Het Fabricageproce s van Aethylbenzeen . We behandelen het proces aan de hand van het getekende fabrieksschema . B~ een druk van ruim 1 atm . wordt in de alkylator kokende benzeen met aetheen gealkyleerd . De temperatuur wordt op 95 0 C.gehouden, wat bereikt wordt door koelen me t water en door afvoeren van warmte met verdampende benzeen . De verdampte benzeen wordt g econdenseerd en naar de alkylator teruggevoerd . De katalysator,aluminiumchloride,wordt zeer zorg vuldig behandeld om vochtopname te voorkomen . Met behulp van een schroefconveyor brengt men de "granular" katalysator in de alkylator . Als promotor g ebruikt men chloorwaterstof , wat in de vorm van a ethy lchloride wordt toegevo egd . Aethylchloride splitst zich n.l.in aetheen en chloorwaterstof . Het toegevoerde benzeen heeft een zuiverhei d van meer dan 99% en bevat minder dan 0,10% zwavel.Door een azeotropische destillatie wordt benz een verkreg en,die minder dan 30 delen wate r op een millio en delen benzeeaebevat.Waterhoudende benzeen wordt in deze kolom gesplitst in benzeen-water azeotroop en in practisch watervrije benzeen . Ae theen beho eft niet z e er zuiver te zijn,b . v.watersto f en lichte verzadigde koolwaterstoffen storen de alkylering sreactie niet . Acetyleen moet verw~derd worden . Aetheen wordt bene den in de alkylator g evoerd . Door het "gas-lift" wétpà~ effect wordt een zeer b e hoorl~ke circulatie verkregen . Zoals reeds opg emerkt werd , wordt de vorming van polyaethylbenzenen tegeng egaan doo r : a) De ho evee lheid aetheen t . o.v . de hoeveelheid benzeen t e verminderen(I grammol . aetheen : 2, 5-3 g rammol . benzeen). b) Terugvoe ren van de polyaethylbenzenen . De polyae t hylbenzenen stromen boven in een absorptiekolo m en wassen de gas sen , die van de alkylator komen,uit . De polyaethylbenz enen worden daarna in de alkylator gebracht. De aanwezigheid van water moet zoveel mo ge l~k
worden voorko men . Wat er ge eft n . l . aanleiding tot :
-4a) Een hoger verbruik van aàumi numchloride . b) Vorming van vaste stof als gevolg van de ontleding van aluminiumchloride . c) Een zeer sterke corrosie door de vorming van zoutzuur . Als constructiemateriaa l voor de alkylator kan staal met een glazen binnenbekleding toegepast worden . Ook kunnen
legeringen gebruikt worden . De alkylering is exotherm . Aluminiumchloride vormt met de koolwaterstof fen e en complex(een roodbruine olie) , dàt practisch onoplos baar is in de koolwaterstoflaag . Dit complex , dat e en dicht heid heeft,die groter dan I i s , sch~nt een belangr~ke rol te spelen in het reactiemechanisme . De reactie verloopt practisch volledig . De ver nikkel -~zer
liezen aan aetheen in de "af"gassen z~n dan ook gering . Het reactiemengsel uit de alkylator bevat 40 - 4- 5 gew . % benzeen , 40 - 45 gew . %aethyl benzeen en 1 0 - 20 gew . 'fo polyaethylbenzenen . Verder no g enkele percenten aluminiumchloride . Het alkylaat wordt g ekoeld en passeert twee bezinktank s , waar het aluminiumchloride - complex naar beneden zakt . Het complex wordt grotendeels naar de alkylator teruggevoerd , terw~l de rest naar de dealkylator wordt gezonden . Het koolwaterstoffen-mengse l,dat no g wat aluminiumchloride complex bevat , wordt hierna grondig met 50%- loog g ewassen . Men pompt daartoe het mengs el van loog en koolwaterstoffen rond . De loog wordt periodiek ververst . Met behulp van een bezinktank wordt de loog weer verwijderd . De bezinktanks z~n van giet~zer gemaakt. Het koolvvaterstoffen - mengsel wordt vervo l gens naar een reeks van destillatiekolommen gezonden . In de eerste kolom vindt e en ruwe scheiding plaats tussen be n zeen - aethy lbenzeen en de polyaethyl benz enen. De polyaethylbenzenen uit de bodem van de eerste kolom gaan naar de vierde destillatiekolom . Het benze en - aethylbenzeenmengsel wordt als een dampvoedin5 in de tweede kolom ge bracht . Hier vindt een scheiding plaats tusse n benzeen en
-5en aethylbenzeen(+ wat poly:aethy lbenzenen).Bij deze kolom met 20 werkelijke platen wordt een refluxverhouding van 3:1 gebruikt . De benzeen gaat na koeling via de zog."azeotropische" destillatiekolom naa r de alkylator terug.In de derde kolom wordt aethylbenzeen van de polyaethylbenzenen gescheiden .De ze kolom met 58 werkelijke schotels werkt eveneens met een refluxverhouding van 3:I. Men verkrijgt zeer zuiver aethylbenzeen (meer dan 99%).Hierna ondergaat aethy:lbenzeen no g een loogbehandeling(met 20~-ige loo g ) .Al deze destillatiekolommen werken onder atmospherische of iets verhoogde druk .De polyaethylbenzenen uit de bodem van de derde kolom worden samen met het destillaat van de vierde kolom(eveneens polyaethyl benzenen) na koeling boven in een absorptiekolom gevoerd .Z e wassen de gassen,die van de alkylator komen uitw De polyaethylbenzenen worden hierna i n de alkylator gevoerd . De vierde kolom met 10 werkelijke schotels werkt bij een druk van 50 mm Hg abs.Hierin worden de lagere polyaethylbenzenen(voorn.l.diaethy lbenzenen) van de ho g eren ge sche iden.De refluxverhouding bedraagt hier 0,5:I.Als constructiemateriaal voor de destillatiekolommen wordt staal ge bruikt. DE ho ge re polyaethylbenzenen uit de bodem van de vierde kolom worden naar de dealkylator gezonden .Een stroom aluminiumchloride-complex wordt bij de koolwaterstoffen gevoegd en bij 200 0 C. wordt gedealkyleerd . Benzeen ,aethylbenzeen en diaethylbenzenen verlaten als damp de dealkylator.Ze worden na conde ns er en en koelen bij de alkylaatstroom gevoegd .In de dealkylator ontstaat een residu van teer en aluminiumchloride . De dealkylator wordt door inductie-ve rhitting op temperatuur gehouden.Als constructiemateriaal voor de dealkylator kan Ha s telloy B gebruikt worden.
-6-
Materiaalbalans . Gehele fabriek. invoer in Kg/u . benzeen aetheen(98%) aethylchloride AlC1 3
afvoer in Kg/u.
aethylbenzeen verlies
988 347 23 25
1282 lOl
1383 1383 De opbrengst aan aethylbenzeen uit benzeen bedraagt 95,5 gew . % van theoretisch mogel~k .Voor aetheen (rekening houdend met de hoeveelheid aetheen,die uit aethylI
•
chloride afsplitst) wordt dit bedrag 96,8 gew . %. Alkyla.!or. invoer in Kg/u . afvoer in Kg/u. aetheen(98%) 347 benzeen 2288 polyaethylbenzenen 400 AlC1 25 3 aethylchloride 23 AlC1 -complex 3
gassen alkylaat
20 3359
296 3379
3379 Raffinag~.
invoer in Kg/u . alkylaat 3359 uit dealkylator 64
afvoer in Kg/u. voeding dest.kolommen 3026 verlies koolwaterst. 44 verlies
13
AlC1 -complex naar alk.296 3 naar dealk. 44 11 3423 invoer in Kg/u . polyaethylbenzenen 44 uit de raffinage 44 88
3423 afvoer in Kg/u . naar de raffinage 64 residu 24 88
-7Destillatiekolommen. --------invoer in Kg/u. uit de raffinage 3026 benzeen
afvoer in Kg/u. 1300 aethylbenzeen 1282 polyaethylbenzenen naar alkylator 400 polyaethylbenzenen naar dealkylator 44
3026
Berekening van een destillatiekolom volgens Ponchon-Savarit.
I • I
~vl',
3026
~;)
I.
//
i
\
Blj de beschrijving van het fabricagepro c es is deze als de tweede destillatiekolom aangeduid.Deze kolom krljgt een dampvoeding, bestaande lÏnÏl.t benzeen,aethylbenzeen en 1-2 gew. (î polyaethylbenzenen.De aanwezigheid van de is verwaarloosd.Het probleem wordt daardoor vereenvoudigd tot de berekening van het binaire systeem benzeen-aethylbenzeen. Voor de berekening werd de grafische methode volgens PonchonSavarit gevolgd . Nu volgt eerst de behandeling van het W-x(enthalpiemol .fractie meest vluchtige component)-diagram.(fig.I,blz.8). In dit diagram is als O-niveau van de enthalpie genomen,de zuivere meest vluchtige component in vloeistofphase blj kooktemperatuur en bij bepaalde druk.De druk immers bepaalt de kooktemperatuur.De enthalpie van de andere component in vloeistofphase is blj dezelfde temperatuur eveneens 0 genomen. Daar de enthalpie niet in absolute waarde bekend is,is ook de keuze van een ander O-niveau mogelljk .Het diagram geldt voor de eenheid van massa,bv.voor I Kg ,I grammol .etc. Blj de verdere besprekeningen nemen we I grammol . als de eenheid van massa. Wb stelt voor het enthalpieverschil tussen de zuivere component A op kooktemperatuur en op de temperatuur, waarbij de enthalpie 0 zou zijne di t is juist de kooktemperatuur van component B,Wd=O).
POlyaethYlbenZene~
De lljn,die Wb en Wd verbindt is de zog.vloeistoftak.
_.1.-_ _ __ _ __
-8W - Wb is het enthalpieverschil a tussen verzadigde damp en vloeistof op kooktemperatuur( voor zuivere component A) , Wa - .___ . d . w. z . de verdampingswarmte van compo nent A. De l~n , die Wa en Wc verbindt, is de damptak . Voor een willekeurig punt g
W
g.
I!'
!W I b. I
van de damptak geldt :
0 •
W = (I - x ) W r + X Wr g gag c W' en W' z~n de moleculaire enthal a c pieën van beide componenten in dampvorm b~
A
B
..x
--~
temperatuur tg van de damp g . Nu is volgens de thermodynamica , dus dQ = dW p= c (dW/dT)p = (dQ/dT)p = cp
fig .I
Integ reren geeft
I
t = kookpunt van component A a t b = kookpunt van component B
t i
s . w.
"
F >
fig . 2 .
b~
constante druk van component A in gasv .
"
"
"
"
B
"
" "
dus
Wg =(I-x g ) (Wa+ACg(tg - ta)) + Xg ( WC+BCg ( tg - tc) ) /
L
Voor een willekeurig punt 1 van de vloeisto f tak ge ldt: Wl =(I - x l ) (Wb+Acl(tl-tb)) + xl(Wd+Bcl ( tl - td) )+ q De term q geeft de moleculaire mengwarmte aan . Fig . 2 stelt een destillatiekolom voor . Nu geldt : F = A + B Fx = AX + BX F A B FW
F
+ QB = AW + BW + Qp" A B
(I )
( 2)
-9AI .[ 'tV I
l'
-------.
--
w W
f
.
.F
':-,-,J
= A(WA + QA!A) + B(W B - QJ!B) QAlA = qA= onttrokken warmte in
I
I F
-
- - ->
fig.3
A
Warmteverliezen door uitstraling zijn verwaarloosd . (WF ' WA en W zijn de B moleculaire enthalpie~n van F , A en B)
X
'.
i
de koelspiraal per mol . A. QB/B = qB= toegevoerde warmte aan de kookspiraal per mol . B.
FW F
= AWÁ
+ BW
B
(3)
In het W-x-diagram g even we deze vergelijkingen weer(fig.3) . Uit deze drie vergelijkingen volgt , dat A', B' en F op een rechte lijn moeten liggen. (2) en (3) zijn de scheidings producten,welke als verzadigd e vloeistoffen gewonnen worden . Het enthalpiev ers chil tussen (I) en ( 2) is dus de onttrokken warmte in de koelspiraal per mol . A, terwijl het enthalpieverschil tussen (3) en (4) de toegevoerde warmte aan de kookspiraal per mol . B is . Het te scheiden mengsel F splitst zich dus in de bru tophasen A' en B' . Bij een stationnaire toestand van de rectificatiekolom gaat dus bij invoer van de brutophase F door elke doorsnede boven de inloop de brutophase A'~n gelijktijdig door elke doorsnede onder de inloop de brutophase B I. In werkelijkheid gaat door elke doorsnede e en damp naar boven en stroomt een vloeistof naar beneden.Bij invoeren van de bruto phase F gaan door een bepaalde doorsnede boven de inloop n I grammol . gas ( x g ) en n 2 grammol . vloeistof ( x l ). De brutophase A' is dan gekarakteriseerd door : AI = nI - n2 AIWl = nIW g - n 2Wl = nIx g - n 2 x I A d . w. z . de vloeistof en de damp , die door een willekeurige doorsnee boven de voedingsschotel door de kolom stromen , zijn al t~ op een rechte lijn gelegen die door A I gaat . Alx
J, .•
>!:'
'.. "
-10De vloeistof en de damp,die beneden de invoer door een doorsnee stromen ,z~n op i L. een rechte door B ' gelegen. De con s tructie voor de bepaling van het aantal theoretische schotels van een rectificatiekolom is dus uit te voeren.Hierb~ wordt aangenomen, dat er evenwicht heerst tu s s en de damp en de vloeistof welke de s chot el verlaten. I......... . (zie fig . 2 en 4) Boven in de kolom stroomt LA~reflux). fig.4. De damp van de bovenste schotel heeft de samenstelling Gr . De vloeistof van de bovenste schotel is Lr
/f'
I.
I•
(G r en Lr liggen op e en node.) .De damp,die van de tweede schotel naar de bovenste s chotel gaat,i s G (zie voor de con2 structie fi g .4) .De l~n A'B' moet gesneden worden door een nod e , wil de kolom mo ge l~k z~n.Deze laatst genoemde node heeft betrekk ing op de invoer s chotel.Na het passeren van de lijn A 'B' maakt men voor de constructie gebruik van de pool B '. Op deze w~ze is het mogel~k het aantal theoretische schotels van een rectificatiekolom te bepalen. Het t-x-di agram voor het stelsel benzeenaethylbenze en is berekend voor een totaal druk van 785, 8 mm Hg abs.,de werk druk van de d est illatiekolorp.(zie graf .2,2a,2b). Eerst werd een log . p- riT-grafiek opg es t eld m.b.v. gegevens uit lit.7.(p in mm Hg en T i n oK.) .Zie tabel r en g rafiek r .
•
-11-
tabel I aethylbenzeen temperatuur Oe oK 61,8 74,1 92,7 II3,8 136,2 163,5 benzeen 42 ,2 60,6 80,1 103,8 I 42 ,5
.
10 3
log P
(T in oK)
druk in mm.Hg
335,0 347,3 365,9 387,0 409,4 436 ,7
2,985 2,879 2,733 2,584 2,443 2,290
60 IOO 200 400 760 I520
1,7782 2,0000 2,3010 2,602I 2,8808 3,18I8
3I5,4 333,8 353,3 377,0 415,7
3,I7I 2,996 2,830 2,653 2,406
200 400 760 1520 3800
2,30IO 2,602I 2,8808 3,18I8 3,5798
I
11'"
Met behulp van grafiek I werd tabel 2 opgesteld, waaruit men door berekening de vloeistof- en dampsamenstellingen b~ een bepaalde t emperatuur verkreeg. (tabel 3.).Hierb~ werd aangenomen dat de wet van Raoult geldig was . tabel 2 t I
[
.
oe
81,3 8~
83 84 85 86 90 95 IOO
temperatuur T oK I . 10 3 'T' 2,82I 354,5 2,815 355,2 2,807 356 ,2 2,800 357,2 2 ,79 2 358,2 2,784 359,2 363,2 2,753 2,7I7 368,2 2 , 680 373,2
aethylbenzeen lo g' p p(mm.Hg) 2,I22 2 ,133 2,I50 2 ,I 63 2,180 2,197 2,261 2,334 2,409
I32,4 135,8 14I,3 I45,5 I51, ~157,4 182,4 215 , 8 256,4
benzeen log p p(mm.Hg) 2,8953 2,905 2,917 2,929 2 ,9 43 2,956 3,008 3,072 3,134
785,8 803,5 826 ,0 849,1 877,0 903,6 1018,6 1180,3 1361,3
-12temperatuur t Oe
I . j •
L
105 110 115 120 125 130 133 134 135 136 137,3 tabel 3 temp. oe
81,3 82 83 84 85 86 90 95 100 105 110 115 120 125 130 133 134 135 136 137,3
T OK 378,2 383,2 388, 2 393,2 398 ,2 403,2 406,2 407,2 408,2 409,2 410,5
I
.10 3
T 2,645 2,610 2 ,576 2,544 2,512 2,481 2, 462 2,456 2,450 2,4 44 2,436
druk benz.
druk aethylben z .
PB(mm. Hg )
PA(mm.Hg )
785,8 803,5 826,0 849,1 877,0 903,6 1018,6 1180,3 1361,3 1559,7 17'"78,3 2023,0 2275,0 2558, 5 2871,0 3090, 0 3155,0 3236,0 3311 ,0 3404,0 -
132,4 135, 8 141,3 145, 5 151,4 157, 4 182, 4 215, 8 256,4 300, 6 353,2 414,0 480, 8 555,9 641,2 698,2 717, 8 737,9 7 58 ,5 785,8
aethy lbenzeen p(mm.Hg) lo c P
2,478 2, 548 2,617 2, 682 2,745 2,807 2, 84 4 2,856 2,868 2,8 80 2,89 53
druk tot. p( mm .Hg )
785, 8
300,6 353,2 414,0 480,8 555,9 641,2 698 ,2 717,8 737,9 758 ,5 78 5 ,8
benze en log P p(mm.Hg)
3,193 3,250 3,306 3,357 3 ,408 3,458 3,490 3,499 3,510 3,520 3, 532
mol. f ractie verz.vloeist. P - PA
1559,7 1778,3 2023,0 2275,0 2558,5 2871,0 3090,0 3155,0 3236,0 3311,0 340 4 ,0
PB- PA
mol.fractie verz. damp . PBx y =--P
1,000 0,973 0,941 0,906 0, 874 0 , 842 0,722 0,591 0,479 0,38 5 0,304 0,231 0,170 0,115 0,0649 0,036 6 0,0279 0,0192 0,0107 0,0000
1,000 0,995 0,989 0,983 0,976 0,9 68 0,936 0,888 0,830 0,764 0,688 0,595 0,492 0,374 0,237 0,1439 0,1120 0,0791 0,0451 0,0000
x=------
-------
-
-13-
I
De grafieken 2, 2a en 2b zijn gemaakt met behulp van de waarden uit tabel 3 . Grafiek 3 geeft het W-x-diagram voor benzeen-aethyl benzeen. Als O-niveau van de enthalpie is de enthalpie van ~ vloeibaar benzeen bij ;{8r,$oe g enomen . Daar mengwarmten onbekend zijn,is voor de constructie van de vloeistof tak alleen rekening gehouden met de moleculaire soortelijke warmten van vloeibaar benze en en aethylbenzeen . Nu geldt voor benzeen(vloeibaar) . cp = 31,08 + 0,06342 . t (t in oe) . of cp = 13,75 + 0,06342 . T (T in oK) . voor aethylbenzeen(vloeibaar) . cp = 41,44 + 0,II72 . t (t in oe) . of cp = 9,42 + 0,I172 . T (T in oK) . (lit . II) Met behulp van d e formule s op blz . 8 is een reeks van punten van de vloeistof tak berek end . (tabel 4)
•
tabel 4 WI(K . cal/K . mol)
xl 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
1\ bij
xl 0,6 0,7 0,8
3035 2343 1810
W I 575 389 240 112
0,9 1385 1,0 1055 783 De vloeistof tak is dus te construeren . De damptak is recht g enomen, daar dE mol~culaire soortelijke warmte van aethylbenzeen(gasv . ) onbeken d is . De verdamping swarmte van aethylbenzeen per Kg bedra > 0 95 , 11 K. cal . d.i . per K. mol . 10097 K. cal . bij 25 e 0 I36 , I9 e 81,0 " j.""" 8599" (lit . 7) 8584 K. cal . /K . mol . Evenzo vindt men voor de verdampingswarmte van benzeen bij 25 0 e 8090 K. cal . /K . mol . ( lit . 7) bij 80,1°8 7353 " dus bij
°
81 ,130e
7337
"
Ook de damptak is nu te construeren .
-14fig.5
F
I •
Vastgele gd zijn de volg ende gegevens : F =voeding( Gasv .) t=132oC x=0 , 567 t= SI,SoC T x=0 , 995 0 B x=0 , 002 t=I37,3 C Refluxverhouding 3:1 . T lit . 2 . Een materiaal- en warmte - balans z~n opg e steld voor I K.mol voeding per tijdseenheid . Een stationnaire toestand is aiillngenomen . F = B + T xFF = xBB + xTT of 0,567F = 0,002B + 0,995T Hi eruit volgt : T = 0,5690 K.mol . per tijdseenheid . B = 0,4310 11 11 11 Alle waarden z~n per t~dse enh eid opgegeven . Gecondenseerd wordt 4 . T = 4 . 0,5690 K. mol . De hoeve elheid warmte,die a an de condensor wordt onttrokken , per 0,5690 K.mol(van T) is :4. 0,5690. 7337 = 16700 K. cal . per K. mol(van T) :1 6700/0,5690 = 29350 K. cal . Als enthalpie-niveau werd vloeibaar benzeen 0 van SI,3 C. genomen(O) . De teruggevoerde reflux voert dus geen warmte in.de kolom . Uit de bodem van de kolom voert B per K. mol 3035 K. cal. af(zie grafiek 3) , du s 0,4310 K. mol . (van B) 1308 K. cal . De gasvormige voeding F voert eveneens warmte toe . De mol . s . w. van aethy lbenzeen i n gasvorm is onbekend. Voor de berek ening van het enthalpieverschil tu ssen de dampvormige voeding en het O- nive au , is gebruik g emaakt van de s . w. van g~~vormig benzeen . cp = 6,5 + 0,052T (T in oK) (lit . ~) (graf. 3 ) Ingevoerde warmte per K. mol(van F) : 9596 K . cal. We geven nu de warmtebalans over de kolom b~ I R . mol . voeding per tyds eenheid .
-15Warmtebalans . toegevoerde warmte K. cal . met reflux met voeding verdamper I
•
I
I•
o 9596
afgevoerde warmte K. cal . met ffiondensor met B
1 6700 1308
Q
9596 + Q 18008 dus Q = 8412 K. cal , die toegevoerd(per K. mol . voeding ) wordt in de verdamper . Dit wordt per K. mol B ; 8412/0 , 4310 = 19517 K. cal . Resumerende dus : Per K. mol . B wordt aan de verdamper onttrokken : 19517 K. cal . Per K. mol . T wordt door de condensor onttrokken : 29350 K. cal . De ze waarden leveren resp . de constructiepolen A en B op graf .3 op . Graf . 4 geeft bepaalde de l en van graf . 3 ( bij x=O en x= l) sterk ver groot weer . Beginnende b~ de vloeistof , die als reflux in de kolom stroomt , wordt de constructie uitgevoerd ( graf . 3 en 4) . Voor de constructie van de noden wordt van graf . 2 gebruik gemaakt . De constructie had als re sultaat , dat bij de gegeven cond i ties , 9 theoretis che schotels vereist z~n . De 4 de pl aat van bovenaf is de theoretische voeding sschotel . Nu is het aantal werk elijke schotels gelijk aan het aan tal theor e ti s che schotels g edeeld door de "plate effi c iency ". De waarde van de " plate efficiency " is moeilijk vast te stellen , daar deze waarde van vele factoren ( o . a . van de constructie van de s chotel s en van de kolom) afhangt . Lit . 7 , blz . 6I7 vermeldt voor een kolom met een voeding van tolueen , paraffine en phenol e en "plate effic i ency " van 0 ,5. ( de druk was hier 18 l bs/sq . in ., de temperatuur I3 7°C en de schotelafstand 1 , 5 ft . ) Voo r dit geval is de "plate efficiency " 0 , 5 genomen . Daar de verdamper als een theoretische schotel werkt , krijg en we 17 werkelijke schot e:$s . De v erdamper fungee r t a l s onderst e ste van boven . s chotel . De voedings schotel is de 8 Li t . 2 vermeldt dat 20 werk el ijke schotels ver ei s t zijn . Tot slot volgt no g de berekening van de kolomdiamet er •
.
I~---~-
-16De dampsnelhei d in rectificatiekolommen met schotels tr I wordt gegeven door: :d I - d 2 : 2 u = Kv· rr r (lit.7,blz.598) :_ d
2
u = dampsrielh eid in ft./sec. d I = dichtheid van de vloeistof bij de temperatuur van de kolom(lbs/ft 3 ). d 2= rr rr rr rr rr rr rr rr rr rr damp
I•
I •
I •
I •
Kv = con s tante. een schotelafstand van 1,5 ft . en een vloeistofslot van I in. is Kv= 0,14. Voor de berekening van u,worden de condities van de top van de kolom g ebruikt . d 2 berekenen we,aann emende dat de ideale gaswetten geldig zijn. mol . gew .benzeen :7 8,11 0 temperatuur top van de kolom: 8I,8 0 C = 179°F = 639 R. druk: 785,S mm . Hg . d 2 = 7S,II/359 . 492/639 . 7S5,S/760 = 0,173 lbs/ft 3 • Voor dl is de dichtheid van benzeen b~ 8I,8°C genomen . Deze dichtheid is m.b.v. de kubieke uitzettingscoëfficiënt berekend. Voor benzeen geldt van II-8I oC : V = Vo(1 + 1,17626.IO- 3 t + I,27776.IO- 6 t 2 + 0,S064S.IO-St 3 ) t (V = volume bij OOc;t= temperatuur in °C.) (lit.7,blz.202) 0 De dichtheid van benzeen b~ 20 C is: 0,879 (lit.7,blz.I31) vSI,S = vo" 1,1080 V20 = Voo 1,0241 Verder is d8I ,~ = G/V ,8 en d 20 = G/V 20 = 0,879 8I M.b.v. deze vi er verg el~kingen vinden we: dSI,S = 0,S12 g/ml of dSI,~ = 0,812 • 62,4 = 50,70 Ibs/ft 3 B~
°
u wordt dan : 2,39 ft/sec . of 7,28 dm/sec. De materiaalba lans over de destillatiekolom(de polyaethylbenzenen z~n verwaa rloosd) . Zie fig . 5 . invoer J!' 29,20 K. mol/u,d .i. 2635 Kg/u. afvoer T 16,62 K. mol/u,d .i.I300 Kg/u . B
I2,5S K.mol/u,d.i.I335 Kg/u .
•
-----
---
---
-17De hoeve elheid opst~gende damp bedraagt dus , daar de r efluxverhouding 3 : 1 is: 4 . 1300 = 5200 Kg/u = 4 • 16 , 62 K. mol/u of 4 . 16 , 62/3600 K. mol/sec of 4 • 16 , 62/3600 • 22400 • 355 , 0/273 , 2 = 537 , 4 I/se c. Als de kolomdiameter d ( in dm .) is , dan geldt : 537 , 4 = 0 , 25 • 3 , 14 • d 2 • 7 , 28 d = 9 , 70 dm . De berekening l everde dus als resultaat op , een kolom met 17 werke lijke schotels . De voeding sschotel is de 8 ste van boven . De verdamper is d e onderste schotel ( no .17 van bov en ). De diame ter van de kolom is 970 mm .
• I
•
\
/
'l
,so
'1.,130
1.,1.0 :1 '1.,0 S
....
,S'S
J 2.,1."
1.,
l,OO
a,a1.
l ,a,",
r---------------~~~----------------~------------------------------ -------------------------------------------~--------------------~--------
144
n .S
,1.1,
1'1.·4
1'1.0
,d.
111.
il-i
110
: I . t,tt+-'-' ~~! :f=t:-:::!f::::~: -
10'0
8'l.
&0
G,oO
o,oS'
O,S$'
0110 I
o,bS
o,1 S
CI,a o
0,8S
1, 00
1
IH-
~
.... f.---r-'
8000
".
:.::,r:';:;"·f-.-+~~+-. H-'"
:,... 1::= 1";:::- f-·: ,:::·--I-./-.. :v
Td'
;=.::;:t+!.:::
.:.:.: .c .....
0,0
0,'
,
01..
O,l
+ ..c....
1+1
•~
--
I" 100
"00
CT
3100
(,00
1.bOO
I
H+-
-0....
1.00 I ~,
.00
1.100
0,0
00 I
b
0,0 \
r "- - -
-18Lit eratuur . 1
G. M. Kline ,c. s .
2
J.E.Mitchell
3
L.v.Erichsen
Investigation of German Plastics Plants . C.I.O.S. 29 -6 2 120 Trans.Am.Inst.Ch em .Eng . 1946 42 293 Ang ew.Chem.
W.Dow
61 322 1 949 Monsanto Chem.Co.--Brit.P. I950,July 5 639873 I nd . Eng .Chem.
4
5 6
W.A.Pardee , B. F . Dodge
7
J .H. Perry ,c. s .
8
O.A.Hougen , K. M. Watson
9
G. G.Brown ,c. s .
, o
•
G. A. M.Di epen , G. Meye r
10
V. Ya .Kurbatov
11
(" ..
•
1267 1942 1nd . Eng .Chem . 273 1.2. 1943 Chemical Engineer s ' Handbook Mc.Graw.Hill Book Cy. New Yo rk 1950 Chemical Process Principl es John Wiley and Sons ,lnc. New York Chapman and Hall ,Lim.London 1947 Unit Operations John Wiley and Sons,lnc.New York Chapman and Hall ,L im .London 1951 Chem. We ekbl.
57 1948 J . Gen.Chem.(U.S.S.R.) 1947 17 1999
